论文部分内容阅读
GaN基宽禁带半导体作为第三代半导体材料是目前国际半导体科学与技术研究的前沿，在自旋电子学领域的研究也正受到越来越多的重视。本文介绍了GaN基半导体在半导体自旋电子学领域的研究现状，并利用圆偏振光电效应(CPGE)对AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气(2DEG)的Rashba自旋轨道耦合以及相关自旋输运现象进行了研究。研究内容和结果主要包括：
1.概述了当前国际上半导体自旋电子学研究的核心内容，指出Rashba自旋轨道耦合对自旋调控和自旋弛豫的重要性，并介绍了近年来国际上GaN基半导体自旋电子学的研究现状。重点在理论上对立方闪锌矿结构和六方纤锌矿结构半导体的体反演不对称(BIA)和结构反演不对称(SIA)自旋分裂作了分析对比。
2.介绍了近红外激光辐照下AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG的CPGE电流的实验观测。详细讨论了在1060nm波长激光辐照下，AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG产生CPGE电流的物理机制及其和Rashba自旋分裂的关系。通过和磁电阻Shubnikov-deHaas(SdH)振荡测量结果的对比，认为CPGE是一种研究Rashba自旋分裂十分方便和灵敏的实验手段。
3.讨论了如何区分AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG的SIA和BIA自旋轨道耦合。首先介绍了CPGE电流随外加单轴应变线性变化的实验现象，并对实验结果进行了合理解释，认为由于单轴应变导致异质界面三角形势阱中内建电场的增加，从而使得导带底Rashba自旋轨道分裂增强，CPGE电流随之增大。然后根据纤锌矿结构SIA和BIA的各向同性特征建立了线性模型，首次得到了纤锌矿AlxGa1-xN/GaN异质结构中SIA和BIA自旋轨道耦合系数之比为13.2/1。
4.讨论了反常CPGE效应的发现及其与逆自旋霍尔效应(RSHE)的关系。首先介绍了通过移动光斑观测到涡旋状反常CPGE电流的实验现象，并建立了物理模型将其和RSHE联系起来，认为RSHE将辐射状自旋流转化为涡旋状霍尔电流。根据实验结果计算出作用在单个电子上的自旋横向力为2.4×10-19N，并进一步得到半径为0.55mm的高斯光斑产生的霍尔电压为2.4μV。最后得出结论认为：反常CPGE是各种半导体及其低维结构中电子自旋输运的一个普遍现象，该现象为在宏观和常温下观测RSHE以及自旋流提供了新的实验途径。